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基于CFD的汽车外流场数值模拟的发展概述

0 引言 
     在传统的汽车空气动力学研究中,大多采用风洞实测的方法,该方法造价高、耗资大,在一般的经济条件下根本无法进行。近年来,随着计算机技术和湍流技术的发展,把原来只能在风洞中进行的试验转化到计算机上来。尽管一般认为试验的可信度高,但是在模型风洞试验中存在着动力相似和几何相似的影响,还要考虑风洞边界条件的影响和湍流、风速、风向、雷诺数等,试验结果要进行换算,而且还存在采集数据的测量误差等问题,尽管试验技术在不断地完善,但是还仍然存在一些问题。道路试验还受到自然条件、交通状况的限制,要得到准确的结果,需要非常谨慎。 
     随着计算机技术和湍流理论的发展,计算流体力学CFD(Calculation Fluid Dynamics)的方法被运用到汽车空气动力学研究中。汽车外流场数值模拟就是利用数值模拟的方法对汽车行驶中的外流场进行分析,与传统的研究方法结合,有效地改善汽车性能、节约研究资金、提高研究效率。 
1 汽车空气动力学研究的内容和意义 
     汽车车身的外形设计的主要依据是机械工程学、人机工程学和空气动力学。前两者决定了汽车的基本骨架,从内部制约了汽车车身的外形,空气动力学则是来自汽车外形的制约条件。空气动力特性直接影响着汽车的驱动特性、稳定性、操作性、燃油经济性、加速性能和噪声特性等。有的时候甚至直接影响行驶安全。其研究内容有以下几方面: 
     (1) 汽车行驶中所受气动力和气动力矩可以分解为阻力、升力、侧向力、横摆气动力矩、纵倾气动力矩和侧倾气动力矩6个分量。对汽车性能影响的研究主要是指气动阻力、气动升力、气动侧向力及各气动力矩对汽车操纵稳定性影响的研究,同时也包括了汽车周围压力场的研究、气动力和气动力矩形成机理的研究、空气阻力对汽车动力性和经济性影响的研究等; 
     (2) 汽车行驶中各部位的流场研究; 
     (3) 汽车发动机的冷却和车内通风的研究,包括车身表面压力分布的研究、发动机冷却气流和车内通风气流等; 
     (4) 汽车气动噪声的研究,包括气动噪声形成机理和控制方法的研究等。 
     空气阻力的研究不仅仅是从提高车辆性能的要求考虑,更重要的是具有重大经济意义。目前世界汽车保有量已达6亿多辆,汽车运输量占总运输量的70%左右。这些车辆在运输中几乎全部采用石油燃料,需消耗世界石油产品的1/4。在长期的开发过程中,人们已经运用多种途径来达到节油的经济目的,如改进燃油品质,用柴油机代替汽油机,采用复合动力装置,采用新型替代燃料及制定先进的标准等办法。但是节能效果最为明显的就是减小汽车的空气阻力、滚动阻力和改善发动机微机控制等方法,因为汽车结构所限,再多的变化与新技术的运用仍然要考虑到减小空气阻力和动力输出。 
     在汽车性能日趋提高的同时,高等级高品质公路也越来越普遍了,汽车平均车速得以大幅度提高,而当车速较高时,汽车空气阻力迅速增加,当车速大于70km/h时,载货汽车所受空气阻力占行驶阻力的一半以上。减小空气阻力节能,不仅对轿车而且对商用车辆都有很大的意义。若干国产车型的实车风洞实验结果表明:空气阻力普遍比国外同类车高15%~20%。如果能减少这部分气动阻力,我国汽车燃油将降低3.75%~5%,如果按照我国目前汽车保有量1200~1500万辆,仅降低气动阻力2%,年节油量将有几千万升。 
2 汽车流场数值模拟的发展及特点 
     为了克服传统汽车空气动力学研究中的弊端,计算流体力学(CFD)在汽车空气动力学中得到了广泛的应用。因为同试验相比,它具有可预先研究、不受条件(支架的干扰、模型弹性变形)限制、信息丰富、成本低和周期短等特点。在某种意义上,应用CFD研究汽车外流场比理论和试验对流体的运动过程认识得更为深刻、更为细致,不仅可以了解气流运动的结果,而且可以了解整体与局部的细致过程,能得到一些实验手段所得不到(如细微湍流结构)的理解和认识。CFD可以方便灵活地改变初始条件和边界条件,并且可以获得整个流场中任意一点处的详细状况,使得研究流动机理变得方便可能。  
     汽车流场数值模拟方法也存在一些缺陷,数值模拟需要有合适的数值计算方法。而现有的数值方法都存在收敛性和精度上的不足,有待改进。数值模拟受到计算机速度和容量的限制,对于一些复杂问题,其计算费用比较高。数学模型的简化、计算机的精度以及数值处理的误差都会导致计算结果的不可靠。数值模拟计算过程中很可能出现不稳定性而导致不收敛。因此,还不能用数值模拟完全代替模型试验。 
     计算流体力学在汽车工程方面的应用最早是从20世纪60年代开始的,主要用于发动机进气及气缸流动的数值模拟、汽车制动等液力系统数值计算及汽车空气动力数值模拟等。80年代初期,计算的对象还限于车身的基本形状,如今已经发展到包括后视镜、扰流板、复杂底板、移动地面、发动机舱、车轮等复杂的车体模拟,横向风稳定性、两车相遇的瞬态空气动力特性等方面的模拟。在精度方面,可以把C■计算精度误差降到5%以内。 
     汽车空气动力外形设计内容主要是光顺汽车表面形状,消除或控制流动分离和涡流的产生;调整车身迎风面上车头、前窗和背风面上后窗、车尾的倾斜角度等来降低阻力和升力;减少附件产生的阻力;设计气动附加装置改善流场。具体设计途径有两个:一是对车辆外形局部作改进的局部优化设计方法;二是从空气动力特性的目标要求出发,修正出最佳外形的整体优化设计方法。  
     国外对汽车外流场的湍流解析模型主要是k-ε模型、应力方程模型为代表的时间平均模型和空间平均的大涡模拟法(LES),计算所使用的网格数已经达到了(2~3)×10■,计算结果接近真实结果,误差控制在5%以内。国外对计算流体力学结果的分析大量采用了可视化技术,将庞大而复杂的计算结果转化为易于研究人员分析和理解的图形动画,提高了工作效率。 
     目前数值模拟最主要的问题是计算精度的问题。网格的形状与结构、采用的湍流模型和计算方法都对精度有影响。在整车流场计算中通常需要划分几十甚至几百万个网格,需要耗费大量的时间,甚至需要进行人工干预。因此网格生成技术成为研究的焦点。正在发展的多种网格法可以用更少的网格数、更少的计算时间来达到相同的或者更高的计算精度。国外的空气动力学软件正向着全自动划分网格、高速高精度计算的方面发展。 
     国际卡车和发动机公司(International Truck and Engine Corporation)和Fluent公司合作对公司的一款链挂式集装箱货运卡车进行数值模拟分析,中间运用不同的网格形状、划分模式和湍流模型,最后在550万的网格数的情况下模拟汽车外流场,得到了在不同速度下的车身周围的等压分布图,在0°角和6°角迎风情况向瞬时的车头流场漩涡轮廓,通过和风洞模型试验比较误差不超过1%,可以看出结果相当可信。 
     福特公司的2005福特GT车型使用1968年的GT40原型,首先提出需要的气动的目标要求,包括气动阻力系数、气动升力系数和气动升力前后分布比例等。然后通过模型的修改,在数值模拟分析的帮助下进行逼近,尤其是对汽车底部的复杂形状的修改,控制流场高速低压区出现在车头和后轴,提高了汽车的行驶性能。 
     国内汽车厂家自行设计汽车的能力比较低,长期处于模仿和直接引进国外技术的状态,对汽车空气动力学的研究投入非常少。计算流体力学技术在汽车设计中的应用只是近年来才刚刚出现,对汽车外流场的数值模拟就更少了。在应用CFD进行汽车设计方面,国内已经有许多研究院把以前在航空、造船方面取得的经验利用起来,比较成功地对汽车外流场进行了二维、三维的数值模拟,达到了使用的水平。但是国内在这方面的研究还处在起步阶段。计算的对象还限于车体基本形状,车身模型相对粗糙,车轮、保险杠、后视镜等都忽略了,划分的网格数目比较少。计算的结果和精度都只是相当于国外20世纪80年代初期的发展水平。但是由于通用计算软件的应用使得基础技术上的差距得到了大大的缩小。 
     南京航空航天大学用Favre平均 N-S方程和B/L代数湍流模型对Saab900汽车外流场进行了数值分析,分析不同车速下车尾上下气流分离位置、尾涡涡心和尾涡长度的变化,得出不同速度对气动阻力系数的影响,计算出汽车在150km/h下的扰流场矢量图和尾涡区速度矢量图。  
     武汉理工大学汽车工程学院,使用Fluent软件对电动客车外形进行设计、对外流场进行数值模拟。对流场分块,各个分区用手动划分和自动划分相结合进行网格划分。使用k-ε模型的流场进行模拟,得到相应的对称面上的气流速度矢量图和压力矢量图。对图中反映的情况进行分析,从而改进客车的风窗玻璃倾角、顶部和侧部的过渡、头部下缘向底部的过渡的流线型设计,得到更好的气动分量、阻力系数和升力系数,提高了客车的性能。 
3 汽车外流场计算的内容和步骤 
     CFD方法是对汽车周围三维湍流流场的控制方程用计算数学的算法将其离散到一系列网格节点上求其离散的数值解的一种方法。  
     求解偏微分方程的数值方法主要分为有限差分法(Finite Difference Method FDM)、有限元法(Finite Element Method FEM)及有限体积法(Finite Volume Method FVM)。目前计算所采用的国外大型CFD软件如ANSYS/FLOTRAN、STAR-CD、CFX、Fluent等均利用有限体积法,并且还提供多种湍流的计算模型可供选择。在考虑湍流中涡流因素的影响和雷诺数效应时,RNGk-ε模型比标准k-ε计算精度更高,需要的内存少,较适用于汽车外部复杂流场的计算。在车型开发中,可以用于概念设计阶段的气动优化,也可以作为风洞试验的形态补充。 
     汽车外流场数值模拟的步骤 : 
     (1) 建立所研究问题的物理模型,再将其抽象成数学力学模型。 
(2) 用CAD软件建立汽车形体及三维流场区域,形成计算区域的CAD模型。 
     (3) 将计算域进行空间网格剖分。 
     (4) CFD软件调用前面形成的模型及数据文件。 
     (5) 确定边界条件,包括入口与出口处的边界条件、壁面边界条件。边界条件在数学上要满足适定性,在物理上要具有实际意义。要注意在考虑了相对运动和地面效应等之后的边界条件的确定,不要矛盾和重复。 
(6) 设定具体的求解过程和精度的一些控制参数和条件,对需要分析的问题进行求解,结果以数据文件保存。 
     (7) 进入后处理,读取计算结果文件,可以用图形表达出来。观察其结果,若与真实情况不符则重复上述步骤直到得到满意的数值解。  
4 汽车流场数值模拟面临的问题及发展趋向 
     汽车绕流流场具有典型三维、粘性、湍流、分离和非定常的流动特征。 作为一个具有复杂的几何外形特征的实体,汽车外流场始终都会呈现出非周期变化。不同于高空飞行物,贴近地面运动的汽车,在其底部还要产生地面效应,运动的车轮会产生附加气流,气流的流动参数相应地剧烈变化,从而使汽车外流场具有了复杂的边界条件。运动的汽车由于其外流场所处的环境的变化,尤其是侧风的作用使得本身已经相当复杂的绕流流场更加趋于复杂化。这些变化直接导致了三维分析中的计算量大大地增加。汽车车身底部的不平整,加上保险杠、后视镜、天线等附件的存在使空气流场中的粘性层不仅仅局限于车身边面的小范围内,这样使得在外流场计算中,从网格划分难度到数值计算复杂程度都大大提高,而计算结果的稳定性与收敛性也受到了影响。流体力学中,对于高雷诺数湍流的运动机理仍然没有完全清楚,还没有建立完整的湍流体系,而绕汽车运动的外流场空气恰恰属于这种湍流,这就成为了汽车外流场计算中的又一个难题。汽车在高速运动中,除了受到正面阻力外,车身壁面相应的还会有附加阻力和升力,其产生的原因是绕流空气不断从车身表面分离形成涡流,而涡流产生与迁变带走了大量的能量。对于这种复杂的外部流动至今人们也没有能全面深入地掌握它的规律。道路环境下,汽车所面临的情况将更为复杂,行驶状况的变化,如超车、汇车、瞬态侧风的影响,都使得汽车始终在一种非定常流场中运动。汽车流场结构的复杂性与特殊性,特别是非定常、湍流、旋涡分离等典型流动特征,使得数值仿真面临了重重的挑战。 
     经过以上的分析综述,可以得到汽车流场数值模拟的主要发展方向: 
     (1) 前处理阶段(几何模型建立和网格的划分)中为了能得到对整个模拟过程最有益的模拟模型,应当寻求更加先进的几何建模的手段和网格生成的技术。网格生成根据汽车外流场的不动部分的流场的不同情况,进行合理分区,使用具有相适应特征的网格就有助于显著提高解题的精度、计算的收敛性和稳定性。 
     (2) 对汽车表面产生的分离涡流和湍流进行更为深入地研究,从而发展相应的更具先进的流体流动计算模型。风洞试验表明,汽车周围的流动大多为较强的大小涡混杂的湍流,而且汽车底部与地面的边界层产生干涉也出现湍流。因此进行汽车周围流场的数值模拟必须通过求解粘性流体湍流方程才能使模拟精度提高。 
     (3) 发展更好的计算方法与仿真程序,促进使用大尺度涡流模拟/小尺度湍流模型方法求解N-S方程组,伴随着计算机技术的快速发展,使得模拟计算的结果日趋精确。 
5 结束语 
     计算流体力学依赖计算机技术的发展在汽车设计和分析中得到应用,能够节约大笔试验费用,并且可以得到很好的数值模拟结果。经过计算流体力学家们的长期努力,汽车流场数值模拟使计算流体力学(CFD)在汽车工程领域中具体应用,这个领域已取得了许多重要的进展,建立和开创了许多理论和方法,提高了新型车型的设计效率。 
     用于汽车这种复杂边界的数值模拟方法有有限差分法、有限元法和优先体积法。在多数的应用软件中用的是有限体积法。汽车流场数值模拟研究中仍然存在着有待解决的复杂几何形状问题、计算的收敛速度问题、计算精度、Navier-Stokes方程求解和湍流模型问题等。对于汽车这种外形极其复杂的边界,寻求切实可行的湍流模型和收敛速度较快的计算方法是目前面临的最主要问题。 
     我国的汽车工业正在以前所未有的速度高速发展,虽然在车身造型和空气动力学研究方面起步较晚,但是通过数值仿真上的弥补,为我们追赶技术领先的发达国家提供了契机,对提高国产汽车的性能指标、研发能力提供了巨大帮助。 




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